BETONREPARATION OG -RENOVERING 2016 Beton og brand Finn R. Gottfredsen, Projektchef 1 Emner Indledning Krav og standarder - Brandforløb (Nominelle brandkurver/parametriske brandforløb) - Betons egenskaber under og efter brand Betons egenskaber under brand Dimensionering Eksempler på brande Undersøgelse af beton efter brand Afskalning Brandbeskyttelse Afslutning 2
Indledning Har arbejdet med brand siden slutningen af 90'erne To milepæle: - flere tilfælde af alvorlige tunnelbrande i alperne - indførelse af funktionsbaserede brandkrav i Danmark Arbejder primært med - tunnelkonstruktioner (design for brand) - undersøgelse af brandudsatte konstruktioner 3 Nominelle brandforløb I DS/EN 1991-1-2:2007 Standardbrandkurven (ISO) cellulosebrand bruges i husbygning (Bruges til klassificering) Hydrocarbonkurven (HC) "oliebrand" karakteriseret ved hurtig brandudvikling 4
Nominelle brandforløb II RWS-kurven Stammer fra Holland anvendes for vejtunneler Voldsom brand, f.eks. i tankbil Særlige brandkurver F.eks. Metro-kurven 5 Parametriske brandforløb Åbningsfaktormetoden Tager hensyn til faktiske forhold, herunder - størrelse og placering af åbninger - brandrummets størrelse - type af materialer - mængde af brændbart materiale 6
Eksempel på parametrisk brandforløb 7 Norm 8
Dimensionering Under branden Falder huset sammen, inden det kan rømmes? Personsikkerhed (brugere + brandfolk) Efter afkøling Bliver huset stående? (Værdisikring) Minimering af skader => brandbeskyttelse 9 Styrkereduktion under brand 10
Styrkereduktion efter afkøling iht. DS 411 11 Beregning af bæreevne under og efter brand 12
500 Cisotermmetoden 13 100% 90% 80% Kvartsholdige tilslag Kalkholdige tilslag 500 oc-isotermmetoden Relativ resttrykstyrke 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 14 0% 0 200 400 600 800 1000 1200 Betontemperatur ( o C)
DS/EN 1992-1-2+AC:2013 15 Zonemetoden 16
3-sidet brandbelastet bjælke efter 60, 120 og 180 min. 17 Zonemetoden Eksempel Bjælke/søjle 1000 x 600 mm, 4-sidet påvirket, 3 t. zone Center dybde Center temp. Kc( _M) Ydre (varm) 1 15 798 0,03 2 45 482 0,46 3 75 279 0,82 4 105 157 0,94 5 135 89 1,00 6 165 62 1,00 7 195 58 1,00 8 225 58 1,00 9 255 58 1,00 1. ordens Midte 10 285 58 1,00 a_z K_c,m: 0,81 57,34341 18
Eksempler på brande Storebæltstunnelen, 11. juni 1994 Brand under bro i Ohio, USA Brand i KB-hallen 19 Brand under bro i Ohio Lastbil med ca. 43.000 l ethanol vælter på I-270, idet den passerer under I-70 i Columbus, Ohio d. 1. juli 2015 kl. 6 om morgenen og bryder i brand: http://www.10tv.com/content/sections/video/index.html?video=/videos/2015/ 07/01/raw-traffic-camera-captures-blaze.xml 20
21 Efter branden 22
KB-hallen Brand opstod i KB-hallen d. 28. september 2011 Hallen udbrændte totalt: 23 24
FEBRUAR 2..FE 2016 25 BETON OG BRAND 26
27 28 2. FEBRUAR 2016 BETON OG BRAND
29 30
Undersøgelse af skadet beton Visuelt Rekylværdibestemmelse (Schmidt hammer) Impulse Response (s'mash) Udborede kerner - planslib - tyndslib - trykprøvning af cylindre 31 Farve og klang efter opvarmning Temperatur [ C] Farve Temperatur [ C] Klang 0-300 Normal, grå 100 Klinker 300-600 Rosa, rødlig 200 Porcelæn 600-950 Grå, grøn 300 Krystal 950-1200 Brun, gul med brune pletter 400 Glas 500 Stentøj 600 Revnet tegl 700 Træ 800 Papmaché 32
Karakteristiske omdannelser af beton under opvarmning Fra ca. 700-900 ºC sker omdannelser af CaCO 3 til CaO (læsket kalk) og CO 2 33 Ved 573 ºC sker en omdannelse af - -kvarts under en ekspansion på ~1 %, med risiko for efterfølgende afskalninger og revnedannelser Fra ca. 500-700 ºC disintegreres CSH-gel I området ca. 400-600 ºC sker dehydrering af Ca(OH) 2 til CaO (læsket kalk) + H 2O. Ved tilførsel af slukningsvand eller senere opfugtning kan Ca(OH) 2 gendannes med vol. ekspansion til følge I området ca. 350-450 ºC begynder kalcinering af flint, under udvikling af mikrorevner i flinten Fra temperaturer > 200 ºC sker farveforandring (til brunlige nuancer) samt opsprækning af nogle flinttyper Fra ca. 150-250 ºC kan dannes grove, fine eller mikrorevner, sub-parallelt med overfladen Fra 100-150 ºC begynder fordampning af kemisk bundet vand med øget porøsitet til følge Fra 50-100 ºC sker fordampning af fysisk bundet vand i betonen Tyndslib Udsnit i ca. 10 mm dybde, med revnedannelser pga. brand, samt tydelig kalcinering af flint, dvs. temperaturen har her været oppe på 350-450 C. Fotostr.: 1,8 mm x 2,4 mm. Fluorescens. Udsnit lige under overfladen (< 5 mm), med typiske fine revner/ mikrorevner (se pile) opstået pga. brandpåvirkning. Revner ses i både pasta og gennem eller langs tilslag. Fotostr.: 1,8 mm x 2,4 mm. Parallelle nicoller. 34
Vurdering af risiko for afskalning Kilde: ARUP Fire/HSE - Fire resistance of concrete enclosures, 2005 Factor Risk number Possible Actual Design strength > 55 MPa Unquantified Design strength 1 1 Hydrocarbon/HC_inc fire 5 5 Standard fire 1 Moisture content > 3% 5 5 Moisture content 1 No reinforcement 3 Reinforcement included 1 1 Cover 3 3 Cover < 40 mm 1 Siliceous aggregate 3 3 Calcareous aggregate 1 No. of sides exposed > 1 3 No. of sides exposed = 1 1 1 Section size < 200 mm 3 Section size 1 1 Restrained 3 3 Unrestrained 1 Thermal expansion -6 3 Thermal expansion < 10 10-6 1 1 Loaded in compression 3 3 Unloaded 1 Sum = 27 35 Begrænsning af afskalning Risikoen for og omfanget af afskalning kan reduceres ved at tilsætte polypropylen-fibre (pp-fibre) 36
Afskalning (mm) af prøveelementer efter 30 minutters eksponering til en RWS-brand 37 Dimensionering - Brandbeskyttelse Typiske krav til brandbeskyttelse - maks. 380 C på betonoverflade - maks. 250 C ved armeringen - fastholdt brandbeskyttelse - begrænset afskalning Plader eller påsprøjtet Nødvendig tykkelse - typisk 20 40 mm Copyright: Promat International 38
Reparation af brandskadet beton Principielt som andre reparationer: - dårlig/nedbrudt beton fjernes - reparationsområdet renses og klargøres - reparation udføres Metoder: - håndudsætning - støbning vha. form - sprøjtestøbning 39 Sammenfatning Der findes mange gode redskaber til at dimensionere for brand Der findes en række metoder, teoretiske og praktiske til at vurdere skaderne på beton efter brandpåvirkning Beton kan beskyttes effektivt mod brand Vigtigt at tænke på, at - konstruktioner skal kunne klare brand i en krævet periode, - sikkerhed mod kollaps efter brand kræver særskilt analyse, - Minimering af skader som følge af brand kræver særlige tiltag. 40
Hvis alt går galt! 41